Identifizierung schwacher Shunts bei der Herstellung von Solarzellen mit Infrarotkameras

Dynamische Shunt-Bildgebung in Solarzellen mit beleuchteten Lock-in-Techniken

Für die Abbildung sehr schwacher Shunts in Solarzellen müssen beleuchtete Lock-in-Techniken (ILIT) eingesetzt werden. Die beleuchtete Lock-in-Thermografie ist ein zerstörungsfreies Charakterisierungsverfahren, das schnell genug für Produktionslinien von Solarzellen ist.

Der Grundgedanke ist die Analyse des dynamischen, zeitabhängigen thermischen Verhaltens der Shunts. Shunts besitzen andere thermische Materialeigenschaften und verhalten sich daher thermisch anders als andere Bereiche des Solarzellenübergangs. Wenn die eingestrahlte Energiewelle die Oberfläche des Objekts durchdringt, wird sie absorbiert und erfährt eine Phasenverschiebung. Trifft sie auf Bereiche mit abweichenden thermophysikalischen Eigenschaften, wird ein Teil der Welle reflektiert. Diese reflektierte Welle interferiert mit der einfallenden Welle an der Oberfläche und erzeugt ein Interferenzmuster in der lokalen Oberflächentemperatur, das mit der gleichen Frequenz wie die thermische Welle oszilliert. Daher wird eine periodische Anregung mit fester Frequenz auf die Solarzelle angewendet und ihr zeitabhängiges thermisches Verhalten über mehrere Zyklen beobachtet. Shunts reagieren auf diese thermische Anregung mit unterschiedlichen Amplituden- und Phasenantworten im Vergleich zu intakten Bereichen.

Während der Lichtpuls einer Sprungfunktion entspricht, bei der die Beleuchtungsintensität wiederholt steigt und fällt und so Wärme mit dieser Frequenzkomponente einbringt, überwacht eine Wärmebildkamera die aus der Solarzelle austretende Wärme. Als Qualitätstest beinhaltet die Solarzellen-Flash-ILIT die Anwendung von Hochintensitätslicht. Während eines Flashtests wird das PV-Modul einem kurzen, intensiven Lichtblitz aus einer xenongefüllten Bogenlampe, Metallhalogenlampen oder LEDs ausgesetzt. Das Lichtspektrum solcher Lampen sollte dem Sonnenspektrum möglichst nahekommen.

Die Blitzlampe erzeugt eine kontinuierliche spektrale Leistungsverteilung mit einer Farbtemperatur von etwa 5500 K bis 6200 K und deckt einen Wellenlängenbereich von 200 nm bis 1200 nm ab. Die Temperatur der Solarzelle während des Tests liegt typischerweise in der Nähe der Raumtemperatur, wobei die optimale Temperatur für Solarmodule etwa 25 °C beträgt. Der Einsatz einer kurzwellig empfindlichen Infrarotkamera im gleichen Spektralbereich wie die Lichtemission ist aufgrund potenzieller Übersprechen-Probleme und des relativ niedrigen Temperaturbereichs nicht sinnvoll. Daher ist eine herkömmliche Infrarotkamera mit langwelligem (LW/LT) Bereich die optimale Wahl.

Die Lichtpulse werden mit der Lock-in-Frequenz erzeugt, die den Leuchtsimulator triggert. Die Lock-in-Frequenz hängt von der Bildfrequenz der Infrarotkamera ab. Die maximal nutzbare Lock-in-Frequenz beträgt aufgrund des Shannon-Nyquist-Abtasttheorems und der zweiphasigen Korrelation zwischen Eingangssignal, thermischer Anregung und thermischer Antwort ein Viertel der IR-Kamera-Bildfrequenz. Bei einer ungekühlten IR-Kamera begrenzt die thermische Zeitkonstante des Bolometers (8–15 ms) die physikalisch relevante Abtastfrequenz auf etwa 125 Hz. Daher ist eine Lock-in-Frequenz von unter 30 Hz oder Belichtungszeiten von 30 bis 50 ms möglich. Dennoch können IR-Kameras nicht direkt mit dem Lock-in-Prozess synchronisiert werden, aber der Lichtpuls-Trigger kann einfach vom IR-Kamera-Frame-Trigger abgeleitet werden.

Nach der Aufnahme zeigt ein Stapel von Thermografiebildern die Aufheiz- und Abkühlphasen mit hoher Synchronisation zur Anregung. Aus der Zeitreihe jedes Pixels wird der zeitliche Verlauf extrahiert und mit dem Eingangssignal korreliert. Verschiedene mathematische Verfahren können zur Auswertung der Übertragungsfunktion genutzt werden. Häufig werden die Leistungsdichtespektren zur Quantifizierung der Heizamplituden sowie Kreuzkorrelationen zur Ermittlung der Phasenverschiebung eingesetzt.

Die Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses kann durch mehr Iterationen, höhere Anregungsenergie oder den Einsatz von IR-Kameras mit geringerem thermischem Rauschen erreicht werden.